碳酸丙烯酯（PC）脱碳填料塔的工艺项目设计方案

1 碳酸丙烯酯（ 碳填料塔的工艺 项目设计方案 一 、 设计依据： 无论是以固体原料或以烃类原料制氨，经 换后得粗原料气中均含有一定数量的某些用于制取合成氨原料气的含烃气体（如天然气焦炉气等）本身就含有较多的 2和 必须将这些 粗原料气中除去。此外， 是生产尿素 ,纯碱 ,碳铵等产品的原料 ,而且还可以将其加工成干冰用于其他部门。因此，从粗原料气中分离并回 工业上把脱除的过程称为“脱碳”。目前工业脱碳的方法很多，其中碳酸丙烯酯（ 碳在中 小合成氨厂被广泛采用，现针对碳丙脱碳塔进行物热衡算，为碳丙脱碳塔的工艺结构设计作准备。 吸收是利用各组分溶解度的不同而分离气体混合物的操作。混合气体与适当的液体接触，气体中的一个或几个组分便溶解于液体中而形成溶液，于是原组分的一分离。对与此题中的易溶气体是 依题意：年工作日以 330 天，每天以 24 小时连续运行计，有： 合成氨： 48500t/a= d=h 变换气： 4300）变换气 /t 氨（简记为 t） V = 300=m3/h 变换气组成及分压如下表所示： 进塔变换气 O 2 合计 2 体积百分数 ,% 00 组分分压， 分分压， . 的溶解度 温度 t，（） 25 0 50 亨利系数 E 到 10 7 1 tE 为高浓度气体吸收，故吸收塔内 溶解热不能被忽略。现假设出塔气体的温度为 塔液体的温度为 C 401并取吸收饱和度（定义为出塔溶液浓度对其平衡浓度的百分数）为 70%，然后利用物料衡算结合热量衡算验证上述温度假设的正确性。 在 40 下， C 中的亨利系数 01.3 0485 出塔溶液中 浓度（假设其满足亨利定 律） 0 2 9 2 4 8 5/4 4 11 摩尔分数） 根据吸收温度变化的假设，在塔内液相温度变化不大，可取平均温度 35 下的 C 中溶解的亨利系数作为计算相平衡关系的依据。即： k P 7 4 10 7 1 溶解的相平衡关系，即： 3 g 22 式中：2分压， T 为热 力学温度，K。 用上述关联式计算出塔溶液中 浓度有 0 . 40 7km 22 7 0 . 7 0 . 7 0 . 0 3 8 6 0 . 0 2 7 01 与前者结果相比要小，为安全起见，本设计取后者作为计算的依据。 结论：出料1 （摩尔分数） 。 度与温度的关系 利用题给数据作图，得密度与温度的关联表达式为 （式中 ； 为密度， kg/ 温度，（ ） 0 15 25 40 55 （ kg/ 1224 1207 1198 1184 1169 汽压的影响 根据 变换气组成及分压 可 知， 汽压与操作总压及 气相分压相比 4 均很小，故可忽略 。 粘度 82 Ts（ T 为热力学温度， K） 本次吸收采用逆流吸收的方法。 三、物料衡算 分在 的溶解量 查各组分在操作压力为 作温度为 40下在 取其相对吸收饱和度均为 70%。 通过第一部分已知 0的平衡溶解度 / k m o k m o 0 4 0 84/ k m Ck m X 中： 1184为 40时的密度， m3/余计算结果如下表所示： 组分 O 2 合计 5 组分分压， 解度， 解量， 解气所占的百分数 % 明：进塔吸收液中 m3/计算溶解量时应将其扣除。其他组分溶解度本就微小，经解吸后的残值可被忽略。 平均分子量： 入塔混 合气平均分子量： k g / k m o 溶解气体的平均分子量： g / k m o 0 0 1 7 m3/ m3/，各组分被夹带的量如下： m3/O： m3/2： m3/2： m3/m3/组分溶解量： m3/ m3/ m3/ m3/ 100% 夹带量与溶解量之和： m3/ m3/ m3/ 6 m3/ m3/ 100% 以321 、分别代表进塔、出塔及溶液带出的总气量，以321 、分别代表 ，对 h 1 2 3V V V332211 联立两式解之得 1(4300(h h C 循环量： 因每 1 出 故有： L=h 操作的气液比为 =量为 m3/净化气中 含量 取脱碳塔阻力降为 塔顶压强为 时 8 0 此分压呈平衡的 g 22 PC/ . 40 . 0 0 0 8 2 5 7/ k m o l P Ck m o l C o gl o 1193 为吸收液在塔顶 30 时的密度，近似取纯 体的密度值。计算结果表明，当出塔净化气中 那入塔吸收液中 m3/设计取值正好在其所要求的范围之内，故选取值满足要求。 出塔气体的体积流量应为入塔气体的体积流量与 走气体的体积流量之差。 59h 7 16h 50h 01h h 100% 气液比 塔气体平均分子量 解气体平均分子量 C 中的溶解量 (溶解气量及其组成） 40 组分 O 2 总量 溶解度， 溶解量， 出脱碳塔净化气量 进塔带出气量 (m3/h 出塔气量 (m3/h 溶液带出的总气量 (m3/h 8 溶解体积流量 h 溶解气所占的百分数 % 出塔液相带出气量及其组成 40 溶解量， 体积流量 h 解气所占的百分数 % 入塔气相及其组成 30 体积流量 h 解气所占的百分数 % 出塔气相的组成 35 体积流量 h 解气所占的百分数 % 入塔液相及其组成 30 体积流量 h 149 溶解气所占的百分数 % 100 四、热量恒算 在物料衡算中曾假设出塔溶液的温度为 40 ，现通过热量衡算对出塔溶液的温度进行校核，看其是否在 40 之内。否则，应加大溶剂循环量以维持出塔溶液的温度不超过 40 。具体计算步骤如下： 借助理想气体的定压比热容公式近似计算。理想气体的定压比热容： 32 ，其温度系 数如下表： 系数 a b c d 30 ） 32 ） 000O 0002 0002 0009 表中 单位为（ ） /（ kJ/ ） 进出塔气体的比热容 / k m o J/ 质量分率为 %其量很少，因此可用纯 比热容代之。本设计题目中 ： 1 . 3 9 0 . 0 0 1 8 1 1 0 kJ/ 1 1 . 3 9 0 . 0 0 1 8 1 1 0 1 . 3 9 0 . 0 0 1 8 1 4 0 1 0 1 . 4 4 4 k J / k g / k 1 8 1 8 tC 文献查得 0 0 9 8 6 9 kJ/ ,据此算得： kJ/ ； kJ/ 本设计采用后者。 3. 2溶解热 9 9 H kJ/献查得 146542HkJ/验测定值） 本设计采用后者。 的溶解量为 h=h 故 4654h 设出塔气体温度为 35 ，全塔热量衡算有： 10 带入的热量（ + 溶解热量（ = 带出的热量（ 现均按文献值作热量衡算，即取 ； 10/h 21930=h 25/h 1h 式中： 193+(kg/h 与理论值比较后，取 T 11 出塔气相及其组成（ 35） h O 2 h % h 入塔液相及其组成（ 30） h O 2 149 - - - h - - - - % h 入塔气相及其组成（ 30） m3/h O 2 h h 出塔液相带出气量及其组成（ 40） h O 2 6946 h 脱 碳 塔 溶解气量及其组成（ 40） h O 2 m3/h h 12 五、 设备的工艺与结构尺寸的设计计算 计算公式：s4 塔底气液负荷大，依塔底气液负荷条件求取塔径。 采用 u ，并确定操作气速。 入塔混合气体的质量流量： V=(kg/h 注： 入塔混合气体的平均分子量， 出塔混合气体的平均分子量 k g / k m o 44 8 8 底吸收液的质量流量： L=h 入塔混合气的密度（未考虑压缩因子）： 361 k g / 38 3 1 4/2 0 吸收液的密度 3kg/ （ 40 ） 吸收液的粘度，依下式计算得到： l o g s（平均温度 35 时的值） 选 50料鲍尔环（米字筋），其湿填料因子 1 ，空隙率 ，比表面积 32 /联式常数 4 。 选用 联式求解 8/14/4/14m/3 1 1 m/u 根据设计 u=s 1求取塔径 ( (h=s D=(4 次设计取 D=2600u=42)=4s 则操作气体速度取 u=s 合适 3. 核算径比 D/d=26400/50=521015（满足鲍尔环的径比要求） 采用聚丙烯填料表面 L 喷， L 喷 = )/(32 （满足要求） 14 六、填料层高度的计算 塔截面积 = 因其他气体的溶解度很小，故将其他气体看作是惰性气体并视作为恒定不变，那么，惰性气体的摩尔流率 G=(600)=m2s) 又溶剂的蒸汽压很低，忽略蒸发与夹带损失，并视作为恒定不 变，那么有 L=193/(600m2s) y ， x 吸收塔物料衡算的操作线方程为： 2211 L X 将上述已知数据代入操作线方程，整理得 ： 采用数值积分法求解，详细结果见表 6 步骤如下： 将气相浓度在其操作范围内 10 等份，利用操作线方程求取各分点 y 所对应的 x，将计算结果列于表中的第 1、 2 行。 计算各分点截面处的气液相流率 G=)1(=)1(计算结果列入表中的 3、 4 列。 计算压力，压力按浓度分布，温度按 )( 计算结果列于表中第 5、 6 行。 计算下式计算： )10()()1(10195 3/G p )/( 2 a m o l 取 ， )/(0 53 6.0 不变（前已算出塔顶、塔底变化很小）。 15 ( 2 )/ 12 21 将计算结果列于表中 7 10 行。 计算 ，按下式计算： ()()()(0 1 5 9.0 k m/h k 2 2 将计算结果列于表中 11 14 行。 计算 将计算结果列于表中 15 16 行。 ()()()(1 将计算结果列于表中 17、 18 行。 计算 2 将计算结果列于表中 19 行。 16 计算)(1( x 将计算结果列于表中的 20 24 行。 求取积分项 d xH (1(21 Z=实际取 Z=28m，分 4 段，每段 7m。 表格 6 数值积分结果汇总 项目 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 y x 相平均分子量 17 分项 18 七、填料层的压降 用 用关联图计算压降 横坐标： （前已算出） 纵坐标： 图得： 0m 八、附属设备及主要附件的选型 操作压力为 厚： 32 2 6 0 圆整后取 22用 22R 钢板 2液体分布器 液体分布器是保持任一横截面上保证气液均匀分布。本次使用分布较好的槽盘式分布器。它具有集液、分液和分气三个功能，结构紧凑，操作弹性高，应用广泛。 3除沫器 除沫器用于分离塔顶端中所夹带的液滴，以降低有价值的产品损失，改善塔后动力设备的操作。此次设计采用网丝除沫器。 U= l 1 v 1 8 4 1 2 . 8 3K 0 . 1 0 7 1 . 0 2 m / . 8 3 除沫器直径 111 4液体再分布器 液体向下流动时，有偏向塔壁流动现象，造成塔中心的填料不被润湿，故使用液体再分布器，对鲍尔环而言，不超过 6m。故在填料 3m 处装一个再分布器。 本次使用截锥式再分布器。 5填料支撑板 填料织成板是用来支撑填料的重量，本次设计使用最为常用的栅板。本次塔径为 26001400用四块栅板叠加，直径为 850塔的顶部空间高度 塔的顶部空间高度指顶第一层塔盘到塔顶封头的切线距离。为减少雾 沫夹带的液体量，一般取 次设计取 19 九、设计概要表 入塔混合气体的质量流量 V h 塔底吸收液的质量流量 L 1085385kg/h 入塔混合气的密度 p 收液的粘度 s 填料因子 120隙率 表面积 联式常数 A 联式常数 K s u s 塔径 2600淋密度 L 截面积 A 剂的摩尔流率 L m2s) 惰气的摩尔流率 G m2s) 扩散系数 0 2/s 气液两相的粘度 s 吸收液与填料的表面张力 39.1 s 聚乙烯塑料的表面张力 33.0 s 设计高度 H 28m 填料层的压降 30m 塔体壁厚 22沫器气速 s 除沫器直径 料支撑板 850部空间高度 20 十、设计评价 及总结 经过 2 周 的 时间 ， 终于完成了这次的课程设计。在本学期， 通过 学习了化工原理这一门重要的专业基础课， 了解到 化工单元操作的基本原理、典型设备的结构原理、操作性能和设计计算。化工单元操作是组成各种化工生产过程、完成一定加工目的的基本过程，其特点是化工生产过程中以物理为主的操作过程，包括流体流动过程、传热过程和 传质过程。这次我的课程设计题目是 收 2程填料 吸收 塔的设计， 这是关于吸收中填料塔的设计。填料塔是以塔内装有大量的填料为相接触构件的气液传质设备。填料塔的结构较简单， 压降低，填料易用耐腐蚀材料制造等优点。 本设计中，开始的时候我采用 用关联图计算泛点气速，在填料的选择中，我几乎是用排除法来选择的，就是一种一种规格的算，后来认为使用钢制鲍尔环（规格为 50mm算得的结果比比较好。在同类填料中，尺寸越小的，分离效率越高，但它的阻力将增加，通量减小，填料费用也增加很多。解决了上面的问题之后就是通过查找手册之类的书籍来确定辅助设备的 选型，我们选择孔管型支承装置作为填料支撑，选压紧栅板作为填料压紧装置。本设计我们所设计 的填料塔持液量小 ， 填料塔结构较为简单，造价适合。不过，它的操作范围小，填料润湿效果差，当液体负荷过重时，易产生液泛，不宜处理易聚合或含有固体 悬浮物的物料等。 通过这次的课程设计，让我从中体会到很多。课程设计是我们在校大学生必须经过的一个过程，通过课程设计的锻炼，可以为我们即将来的毕业设